程凯华， 周 力 ， 王金龙

(1.重庆车辆检测研究院有限公司 国家客车质量监督检验中心， 重庆 401122；2.电动汽车安全评价重庆市工业和信息化重点实验室， 重庆 401122)

汽车产品开发过程中，整车及关键零部件的疲劳耐久性能是极其重要的性能之一，直接影响到汽车的安全与可靠性，必须通过疲劳耐久试验进行重点考核[1-4]。疲劳耐久性能试验主要有道路试验和道路模拟试验两种。近年来，由于道路模拟试验具有不受环境因素影响，试验周期短，能够显著降低试验成本，同时具有可重复性好等优点，整车道路模拟试验已经成为整车耐久性能开发的重要手段。尤其是电动汽车在做道路耐久试验时需要经常充电，试验周期加长，更需要采用道路模拟试验来缩短新车研发周期、加快产品迭代[5-7]。

整车及关键零部件的行驶载荷谱采集技术，是实验室道路模拟试验的关键技术[8-9]。此外，道路模拟试验精度的高低直接决定其成败，而精确采集和处理试验场载荷谱不仅可以为道路模拟试验提供可靠的模拟输入，而且直接影响道路模拟迭代结果。本文通过合理布置整车采集系统，采集多路况的载荷谱，并经过处理和分析，最终得到可以满足整车耐久性道路模拟试验对动态载荷谱的要求。

1 整车行驶载荷谱采集

为了精确采集整车在实际道路下的激励，需要合理全面地布置数据采集系统。本文以某款乘用车为采集对象，在该车实际使用地区的公共道路和试验场道路采集行驶载荷谱。在进行实车布置各种传感器时需要避免运动干涉，采集线路布置要尽可能避免车辆运动部件。根据企业需求，采集车轮六分力信号，作为后期进行整车道路耐久试验的模拟迭代目标。

此外，为了进一步满足企业对关键零部件的载荷采集要求，根据前期的有限元分析，在变速器壳体、减振器等考核部件的关键点布置应变片和加速度传感器，采集的信号不仅可以作为零部件模拟试验的期望响应载荷谱，还可以作为监控信号对整车模拟迭代试验过程进行监控。

基于此，建立的整车道路行驶载荷谱采集系统主要包括六分力等各种传感器、eDAQ数据采集仪、电脑、电源等，如图1所示。

图1 数据采集仪器设备连接方案

在组建好整车道路测试系统后，根据路况需求选择国内某一试验场进行道路谱采集。此外，选取的这些路段必须具备以下特征：首先，要充分反映国内路面实际情况；其次，要能够保证在路谱采集过程中行驶的车辆较少，能够保证采集人员及车辆的安全；还要能够保证采集工作可以重复进行。

由此，对试验场高速环道、坡道、综合路、耐久性路、舒适性路5种试验道路进行满载和半载的道路载荷谱采集，其中部分采集路况见表1。路谱采集过程中用GPS车速仪对车速进行实时监测。为选取合适的载荷谱需要采集3个相同的样本。最终采集到的部分原始载荷谱如图2和图3所示。

表1 部分采集路况

图2 右前轮的力载荷谱(综合路)

图3 右前轮的转矩载荷谱(综合路)

2 动态载荷谱分析和处理

2.1 载荷谱数据分析

在采集的载荷谱中，对于应变片采集到的应变信号，为了与有限元计算结果进行对比分析，需要通过测试理论进行计算，求得各测点的主应力。

通过对原始载荷谱进行频谱分析来确定道路载荷功率谱频率范围，在此只展示3种路况的功率谱，如图4所示。

图4 频谱分析

根据上述频谱分析，可以看出整车道路模拟载荷谱频率范围在0～50 Hz，主要载荷集中在30 Hz以下，部分路况的分布情况见表2。通过频谱分析可以确定整车的试验场路面载荷谱的频率分布范围，从而可以确定对整车模拟台架的动态特性要求，对后续建立整车路面工况模拟台架提供动态性能指标[10-12]，为整个系统的组建提供关键参数的参考。

表2 载荷分布频率范围 Hz

2.2 载荷谱数据处理

根据载荷谱数据频谱分析结果，需要对原始载荷进行滤波，其目的是要删掉由环境噪声等因素产生的50 Hz以上的高频率信号。此外，通过观察原始信号发现存在温漂现象，因此，还需要进行消除温漂处理。在消除温漂前，需要确定低频温漂频率范围。通过0.06～50 Hz、0.1～50 Hz、0.4～50 Hz带通滤波来消除温漂，可以发现0.06～50 Hz、0.1～50 Hz都可以消除温漂且不失真，而0.4～50 Hz滤波后信号幅值和相位已经失真，因此，通过对比，对0.06～50 Hz载荷谱选择巴特沃斯带通滤波。此外，由于电子信号干扰等各种因素导致采集的信号存在异常现象，比如存在毛刺、混淆等，需要删除伪信号来提高目标载荷信号的信噪比。

在对原始载荷谱信号进行滤波等处理后，如果直接将其作为道路模拟试验加载谱，由于其信号采样频率为1 024 Hz,过高的采样频率容易造成模拟迭代失败，无法保证能够有一个较高的迭代精度。造成这种结果的原因主要是模拟迭代系统的动态响应特性无法达到这么高的频率范围。因此，为了后期能够迭代成功，目标响应信号的采样频率应该控制在模拟迭代系统的频响特性能够达到的频带宽度。通过对模拟迭代系统的动态响应特性分析可知，其最高的频率大概为204 Hz，也就是路面载荷时间历程频率的3～4倍。因此，对处理后的载荷谱进行204 Hz的重采样，重采样前后的目标响应信号对比结果(局部放大)如图5所示。

图5 重采样前后目标响应信号对比结果

3 道路载荷谱特征提取

为了便于后期对载荷谱进行模拟迭代，需要全面分析采集的道路载荷谱的特征信息，包括最大值、最小值、均值、标准差等信息，综合路况下右前轮的六分力载荷谱特征信息统计结果见表3。

表3 右前轮六分力载荷谱特征信息(综合路)

此外，为了进一步能够充分反映整车路面载荷谱的特征信息，需要对整车六分力载荷谱分别进行一阶求导以及二阶求导，也就是进一步提取获得六分力载荷谱的变化速度和变化加速度，为后续进行道路模拟迭代分析提供依据，如图6和图7所示。经过特征统计分析可以明显看出，六分力载荷谱的变化速度范围为0～7×105N/s，变化加速度范围为0～3.7×108N/s2。

图6 力变化速度

图7 力变化加速度

4 结束语

论文通过对整车道路模拟载荷谱采集技术，以及试验场载荷处理技术进行研究，为试验场实车采集载荷谱提供了依据；为零部件CAE分析提供了载荷输入；为企业建立整车道路激励数据库提供了数据支撑；对整车及部件的载荷谱信息特征进行了全面分析，为后续采集整车行驶载荷谱提供了参考。